一种基于PLC的电机转速测量电路设计

1一种基于PLC的电机转速测量电路设计摘要介绍电机转速测量电路的设计方案，对其软硬件的实现方法进行了介绍，该系统在实际工程应用中，具有较好的稳定性和精度。转速是电动机重要的基本状态参数，在很多运动系统的测控中，都需要对电机的转速进行测量，测量的精度直接影响系统的控制情况，只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。目前工业中测量转速的方式主要有两种。一种是将转速转化为模拟信号，对模拟信号进行测量。如测速发电机是将转速直接转换为电压信号，然后测量其电压。这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。另一种是将转速信号转化为脉冲信号，然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量。这种方法的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好。工业现场往往存在许多的干扰因素，因此工业测控系统中普遍采用数字式转速测量方法。目前plc因其高可靠性已经成为工业控制的一个重要设备。采用plc测量电机转速可以保证测量的稳定性和高精度。关键词：PLC、转速测量、稳定性、高精度ABSTRACTThepaperpresentsadesigntomeasurespeedofmotorbasedonPLC，andalsointroducestheprojectofthedesignandimplementationmethodofthesoftwareandhardware．Thissystemsappliedtoengineeringandacquiresaverygoodresult．Startintheprocess,ifafailureoccurred,theprotectionPLCcorrespondingaction.Startafterthecompletionofmotoron/offindicatorlighttheelectricalnormaloperation.Runningprocess,PLCfollowedbymotorcycletestwhethertherehasbeenaphaseshortcircuit,breakingphase,low-voltage,single-phase-to-ground,overload,over-currentfault,andso,ifoccurred,PLCprotectionactionaccordingly.Shutdown,PLCreceivedshutdownorders,trippingcircuitbreakers,Motoron/offindicatorlighteliminate.FaultsoundandlightalarmattheAlarmresetbuttonreset.ThischoiceisbasedonthedesignofthemotorPLCfaultdiagnosissystemdesign.Keywords：Cam、highdeputy、automatio目录第一章PLC的介绍...........................................................................................1第一节PLC的基本概念.............................................................................1第二章转速测量介绍..........................................................................................2第一节转速测量的必要性..........................................................................2第二节转速测量的实现..............................................................................2第三章转速测量软件设计..................................................................................5第一节抗干扰设计......................................................................................5第二节PLC软件设计...............................................................................6第三节控制脉冲..........................................................................................6第四节程序实现..........................................................................................7结束语....................................................................................................................9谢辞..................................................................................................................10参考文献..............................................................................................................11第一章PLC的介绍第一节PLC的基本概念PLC（ProgrammableLogicController），中文名称为可编程控制器，是一种电气自动化控制装置，国际电工委员会（IEC）2将PLC定义为：是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种类型的机械或过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC是现在应用较多的一种控制装置，利用PLC丰富的内部资源及强大功能指令，编制故障检测报警程序不仅可以代替继电器实现相应功能，还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性。PLC已被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。PLC作为一种成熟稳定可靠的控制器，目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用。PLC系统的设计直接影响着工业控制系统的安全可靠运行。一个完善的PLC系统除了能够正常运行，满足工业控制的要求，还必须要在系统出现故障时及时进行故障诊断和故障处理。故障自诊断功能是工业控制系统的智能化的一个重要标志，对于工业控制具有较高的意义和使用价值。电机测速技术是电机调速控制系统中的一个重要问题，稳定性和高精度是衡量测速系统的技术指标。目前PLC已经成为工业控制的一个重要设备，而工业现场往往存在许多的干扰因素，因此如何实现PLC控制系统中电机测速的稳定性和高精度是一个值得研究的问题。目前，plc实现脉冲信号的测量主要是用plc的高速计数单元来实现。但是，带有高速计数功能的plc价格较高，一般都要上千元，主要用于转速较高，或对测量精度要求较高的场合。如果转速较低，或对测量的精度要求不高时，高性能的高速计数单元就有些浪费了，通过plc的开关量输入单元来测量脉冲信号的频率，既满足了测量的精度要求，又大大降低了成本，同时保留了plc的高度可靠性。第二章转速测量介绍第一节转速测量的必要性在实际生产中，转速的测量有许多方法，如光电技术、测速发电机等，但这些方法有的要求工作环境整洁，有的造价很高，这与工业生产的环境和低成本的要求不适应，采用集成霍尔元件检测具有成本低、灵敏度高及输出特性好的特点。如图2-1所示图2-1转速测量示意图在电机轴上镶嵌一块永久磁铁，集成霍尔元件采用276：931F，固定在离磁铁3mm左右，背侧正对永久磁铁，当转轴转动时，永久磁铁从霍尔元件背侧经过，检测到的信号送入放大整形电路如图2-2所示。图2-2放大电路图霍尔元件的工作电压为5～12V，R。为上拉电阻，磁铁经过时，3脚从0V变为1V，通过三极管输出脉冲波，其频率即为转速大小。第二节转速测量的实现生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理[4]。对光电脉冲信号频率的测量，目前常用的实现方式有两种：一种以单片机为核心，扩展计数器等外围器件构成的电路；另一种是用plc。由于plc可靠性高，抗干扰能力强，所以被广泛地用于工业控制。这里采用plc来测量电机转速。3具体实现方法为将光电编码器固定在电机的转轴上，并与电机同轴，随电机同步旋转，产生与转速成正比的电脉冲信号。采用plc实现对检测时间和转速脉冲信号的计数，并将测得的频率保存在内部的寄存器中。目前，plc实现脉冲信号的测量主要是用plc的高速计数单元来实现。但是，带有高速计数功能的plc价格较高，一般都要上千元，主要用于转速较高，或对测量精度要求较高的场合。如果转速较低，或对测量的精度要求不高时，高性能的高速计数单元就有些浪费了。本文所设计的转速测量方法主要用于转矩流变仪测控系统，对于转矩流变仪来说，电机转速最高为1500r/min，采用分辨率为200的编码器，输入plc的光电脉冲的最高频率为5khz。而带有高速计数功能的plc计数脉冲的频率一般都可达20khz以上，大部分都能达到50khz，甚至更高。用于转矩流变仪中测量转速，虽然精度高，但却有很大的浪费。而一般的国产plc模块市场价格都在1000以内。转矩流变仪转速测量环节采用了普通plc模块(在本设计中选用了德维森科技(深圳)有限公司生产的v80-m16dr-ac)，通过plc的开关量输入单元来测量脉冲信号的频率，既满足了测量的精度要求，又大大降低了成本，同时保留了plc的高度可靠性。所设计的转速测量的plc梯形图程序如附图2-3所示。电机转速数字检测的基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发图2-3转速测量梯形图程序第三章转速测量软件设计第一节抗干扰设计由于工业现场存在较多的干扰因素，对转速测量的稳定和精确带来较大的影响。由检测电路可知，转速的大小取决于脉冲的数量，与脉冲间的相位无关，而且电机的转速变化是一个惯性环节，不存在突变的可能，因此可以采用锁相环电路的设计来减小现场干扰的影响，提高测量稳定性和精度[2]。锁相环电路原理如图3-1所示，锁相环(PLL)由环路鉴相器(PD)、低通滤波器(LP)和压控振荡器(VCO)组成。锁相环具有频率跟踪特性，当锁相环锁定时，输出电压U。(￡)的频率和输入信号U(￡)的频率相同，而这2个信号的相位是可以不相等的，即U。(￡)的频率和U，(￡)的频率完全相同，它们的相位保持恒定。鉴相器是一个相位比较器，起测量作用，其输出电压“D(￡)是“。(￡)和“(￡)相位差的函数，低通滤波器主要作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量，将低频分量U(￡)送人压控振荡器，压控振荡器的输出。(￡)的频率随(￡)的变化而变化，如果“。(z)和U(￡)的频率不一样，鉴相器输出电压经过低通滤波器控制压控振荡频率，使其频率作相应的改变，最后使U。(￡)和“(￡)的频率达到相等而相位差恒定。恒定的相位差使鉴相器维持一恒定的电压输出，通过低通滤波器去控制压控振荡器的输出